开口阱质谱仪的原理及设计

今天为大家介绍一项国家发明授权专利——开口阱质谱仪。该专利由莱克公司申请，并于2016年10月12日获得授权公告。

内容说明

本发明总体上涉及质谱分析、静电阱和多通飞行时间质谱仪的领域，更具体地说，本发明涉及包含具有非固定飞行路径的开口静电阱（open electrostatic trap）的设备及使用方法。

发明背景

飞行时间质谱仪（TOF MS）被广泛地用于分析化学中，用于各种混合物的识别和定量分析。对于实际应用，这样的分析的灵敏度和分辨率是重要的关注事项。为了提高TOF MS的分辨率，由Mamyrin等人提出的US 4 ，072 ，862（通过引用并入本文）公开了一种用于改进与离子能量有关的飞行时间聚焦的离子镜。为了提高TOF MS的灵敏度，由Dodonov等人提出的W09103071（通过引用并入本文）公开了一种提供将连续离子流有效地转换为脉冲离子包的正交脉冲注入的方案。很久以前就认识到用飞行路径来度量TOF MS的分辨率。

为了在保持适度的物理长度的同时提高飞行路径，已经提出了包含多反射（MRTOF）和多转弯（MT-TOF）质谱仪的多通飞行时间质谱仪（M-TOF MS）。由Nazarenko等人提出的SU1725289（通过引用并入本文）介绍了一种使用二维无格栅和平面离子镜的折叠路径MR-TOF MS的方案。反射镜几何结构和电势被设置为提供同步离子振荡。离子经历平面反射镜之间的多次反射，同时在所谓的偏移方向（这里为Z轴）上缓慢地向检测器漂移。通过改变离子注入角度来调整循环的数量和分辨率。但是，通过飞行时间检测原理，该技术假定固定的飞行路径，并且离子反射的数量被限制为很小，从而避免相邻反射之间的重叠。

发明内容

发明人已经实现了新型的质谱仪，即在本文中所称的“开口静电阱”，与现有技术E阱和M-TOF相比，其改进了质谱仪的参数（分辨率、灵敏度和动态范围）的组合。与多通TOF类似，开口静电阱（E阱）采用相同类型的分析仪的静电场，其中，在从脉冲源行进到检测器时，离子包经历多次振荡（在离子镜之间的反射或静电区内的回路循环（loop cycle））。与多通TOF相反，E阱不采用将离子包限制在所谓的漂移方向（在本申请中总是Z方向）上的手段。脉冲离子源与离子检测器之间的离子路径由整数N个离子振荡构成，其中，数字N不是固定的，而是可以在某一跨度ΔΝ内改变。谱解码利用现有已知的关于每个多重谱组内的测量强度分布和喷射定时的信息。

该方法主要可应用于级联式质谱仪，并可应用于具有在MS分析之前的离子分离的各种级联的形式。因此，谱内容是稀疏的（通常低于谱空间的1%），这允许由多个重叠信号来重构谱。在仅使用MS的分析的情况中，与相关的迁移性m/z过滤一样，通过将非重叠信号记录在辅助检测器上，通过使用前方时间分离，或通过化学噪声抑制，来帮助信号解码。

针对比如正交加速器、射频和静电脉冲离子导向器以及射频离子阱的若干具体的脉冲转换器和脉冲离子源来描述该方法。

根据本发明的第一方面，提供一种质谱分析的方法，该方法包括下述步骤：使离子包通过提供同步离子振荡的静电场、射频场或磁场；记录与整数个离子振荡循环的跨度相对应的飞行时间谱（多重谱）；以及由包含多重谱的信号重构质谱。

其中，重构的质谱能够用于质谱分析。根据本发明的第二方面，提供一种质谱分析的方法，该方法包括下述步骤：形成来自被分析的样品的多种核素的离子包；设置静电场，该静电场提供在至少两个方向上的空间离子捕获和沿着中心离子轨迹的同步离子运动；注入所述离子包，以便离子通过所述静电场，其中，所述离子包能够形成多次离子振荡；针对跨度ΔN内的整数N个离子循环，在检测器平面处检测离子并测量离子包飞行时间（多重谱）；以及由包含多重谱的所检测到的信号重构质谱。

一个实施例包含位于所述脉冲转换器与所述检测器之间的空间聚焦装置，该空间聚焦装置用于控制多重谱内的峰值数量ΔN和离子包Z发散度。优选地，为了控制与离子m/z相对的多重谱的数量，所述空间聚焦装置可以被附着到具有时间变量信号的发生器。或者，恒定静电聚焦可以被用于提供多重谱内的与m/z无关的强度分布。优选地，本实施例还可以包含位于所述脉冲转换器与所述离子检测器之间的离子包转向装置。该转向将允许控制倾斜角，从而控制多重谱内的数量N和ΔN。

在另一组实施例中，所述脉冲转换器包含正交加速器，该正交加速器用于将基本上沿Z方向传播的连续或准连续离子束转换为基本上沿X方向加速的离子包。优选地，所述正交加速器可以包含具有用于离子提取的狭缝的平行板电极。或者，所述转换器包含在任一气体条件的RF离子导向器，用于离子衰减，可选地，用于离子累积。再或者，所述脉冲转换器可以包含在真空条件的RF离子导向器，以与前方的气体RF离子导向器传递离子。再或者，该正交加速器可以包含用于离子径向限制的静电离子导向器。优选地，所述连续或准连续离子束的离子能量可以被控制，以调整在所述E阱中的离子反射的数量。优选地，与中心离子轨迹的X-Z平面相比，所述正交加速器可以在Y方向上被移位，然后一组脉冲偏转器将离子包返回到中心平面上。该布置防止离子在E阱内被反射后击中加速器。或者，正交加速器可以被设置为与Z轴成小的倾斜角α，并且经过E阱分析仪中的第一次反射后，离子被转向，从而提供对由于倾斜和转向而导致的飞行时间偏离的相互补偿。优选地，倾斜和转向的角度考虑到了在平板加速器或静电离子导向器加速器的情况中连续离子束的有限能量或在气体RF离子阱情况中接近零的离子能量所导致的离子轨迹倾斜角。在减小用于紧凑的轨迹折叠的E阱分析仪内的离子轨迹倾斜角的同时，该布置将在正交加速器与转向装置之间提供更宽的Z空间。

本发明主要可应用于级联式质谱仪，其中，质谱本质上是稀疏的。一个实施例还包含下面组中的至少一个母离子分离器：（i）质量-电荷分离器；（ii）离子迁移率分离器；（iii）差分离子迁移率分离器；以及（iv）后面跟随裂解单元的上述离子分离器中的任何一个。或者，为了改进谱解码，该实施例还可以在正交加速器之前包含RF离子阱和粗飞行时间分离器或者离子迁移率分离器。该加速器改进了在开口E阱谱中的多重谱分离。优选地，为了改进E阱灵敏度和谱解码，可以将离子注入到所述E阱之间的周期布置为比最重的m/z离子核素到检测器的飞行时间更快。